JP2010098176A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】疎部及び密部のそれぞれにおいて、所望の寸法のデバイスパターンを簡単にエッチングにより形成できるようにする。
【解決手段】金属層12上に2層のマスク層13,14を形成する工程と、2層のマスク層13,14に対して、各層ごとに、デバイスパターンを疎に形成する疎部または密に形成する密部におけるCDシフト量を調整する1種類のエッチングパラメータを変更させてエッチングを行い、マスクパターン13−1〜13−4,14−1〜14−4を形成する工程と、マスクパターン13−1〜13−4を用いて金属層12をエッチングし、ゲート電極12−1〜12−4を形成する。
【選択図】図1A device pattern having a desired dimension can be easily formed by etching in each of a sparse part and a dense part.
A step of forming two mask layers 13 and 14 on a metal layer 12 and a sparse part or densely forming device patterns sparsely for each layer with respect to the two mask layers 13 and 14 Forming a mask pattern 13-1 to 13-4, 14-1 to 14-4 by changing one kind of etching parameter for adjusting the CD shift amount in the dense portion to be formed, and mask pattern; The metal layer 12 is etched using 13-1 to 13-4 to form gate electrodes 12-1 to 12-4.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、配線や電極などをパターニングする半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device for patterning wirings, electrodes, and the like.
システムLSI(Large Scale Integrated circuit)などの半導体装置では、1つのチップ上に配線密度の異なる複雑な回路が形成されている。半導体装置の微細化が進むなか、高密度化するデバイスパターンのパターニング工程の際には、高い加工精度が要求されている。 In a semiconductor device such as a system LSI (Large Scale Integrated circuit), complicated circuits having different wiring densities are formed on one chip. With the progress of miniaturization of semiconductor devices, high processing accuracy is required in the patterning process of device patterns to be densified.
リソグラフィ工程では、基板上に形成されたマスクパターンにしたがってエッチングを行う。エッチング後のデバイスパターンの寸法(幅や口径)は、CD(Critical Dimension)シフトにより、一般的にマスクパターンの寸法とは異なる。CDシフト量はエッチング条件により制御することが可能であるが、チップ内でデバイスパターンを疎に形成する領域(疎部)と、密に形成する領域(密部)とでも変わってくる。このようにパターン密度によってCDシフト量が変化してエッチングの結果に差異が生じる現象は、マイクロローディング効果として知られている。 In the lithography process, etching is performed according to a mask pattern formed on the substrate. The device pattern dimensions (width and aperture) after etching generally differ from the mask pattern dimensions due to CD (Critical Dimension) shift. Although the CD shift amount can be controlled by the etching conditions, it varies depending on whether the device pattern is formed sparsely in the chip (sparse part) or densely formed region (dense part). The phenomenon in which the CD shift amount changes depending on the pattern density and the etching results are different is known as a microloading effect.
従来、マスクの下地膜のエッチングにおいて、エッチング条件を調整して、疎部と密部におけるCDシフト量の差(以下疎密差という)を小さくする方法が知られている(たとえば、特許文献1参照。)。 2. Description of the Related Art Conventionally, in etching a mask base film, a method is known in which etching conditions are adjusted to reduce a difference in CD shift amount between a sparse part and a dense part (hereinafter referred to as sparse / dense difference) (for example, see Patent Document 1) .)
また、ウェハの温度とO2(酸素)の流量を制御することによって、疎部と密部におけるCDシフト量を制御する方法が知られている(たとえば、特許文献2参照。)。
また、エッチングガスであるSO2(二酸化硫黄)/O2の流量比と、オーバーエッチング量を最適化することによって、マスクパターンの疎密に起因する寸法の変動を解消する方法が知られている(たとえば、特許文献3参照。)。
In addition, a method is known in which the flow rate ratio of the etching gas, SO 2 (sulfur dioxide) / O 2 , and the amount of overetching are optimized to eliminate dimensional variations due to mask pattern density ( For example, see Patent Document 3.)
しかし、従来の技術では、疎部と密部で、それぞれ所望の寸法のデバイスパターンを得るためには、2種類のエッチングパラメータを同時に変更する必要があった。そのため、エッチング条件の設定が困難であり、2種類のエッチングパラメータに対するCDシフト量の依存性について事前に詳細な調査が必要になるなど工数がかかった。 However, in the conventional technique, in order to obtain device patterns having desired dimensions in the sparse part and the dense part, it is necessary to simultaneously change two kinds of etching parameters. For this reason, it is difficult to set etching conditions, and it takes man-hours such as detailed investigation in advance on the dependency of the CD shift amount on two types of etching parameters.
上記の点を鑑みて、本発明者らは、疎部及び密部のそれぞれにおいて、簡単に所望の寸法のデバイスパターンを形成可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above points, the present inventors have an object to provide a method of manufacturing a semiconductor device in which a device pattern having a desired dimension can be easily formed in each of a sparse part and a dense part.
上記目的を達成するために、以下のような工程を有する半導体装置の製造方法が提供される。この半導体装置の製造方法は、パターニング対象層上に2層のマスク層を形成する工程と、2層の前記マスク層に対して、各層ごとに、デバイスパターンを疎に形成する疎部または密に形成する密部におけるCDシフト量を調整する1種類のエッチングパラメータを変更させてエッチングを行い、マスクパターンを形成する工程と、前記マスクパターンを用いて前記パターニング対象層をエッチングし、前記デバイスパターンを形成する工程と、を有する。 In order to achieve the above object, a semiconductor device manufacturing method including the following steps is provided. This method of manufacturing a semiconductor device includes a step of forming two mask layers on a patterning target layer, and a sparse part or a densely forming device pattern for each layer with respect to the two mask layers. Etching by changing one kind of etching parameters for adjusting the CD shift amount in the dense part to be formed, forming a mask pattern, etching the patterning target layer using the mask pattern, and forming the device pattern Forming.
疎部及び密部のそれぞれにおいて、簡単に所望の寸法のデバイスパターンを形成可能となる。 A device pattern having a desired dimension can be easily formed in each of the sparse part and the dense part.
以下、本実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本実施の形態の半導体装置の製造方法の概略を示す図である。
なお、以下では、MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)のゲート電極をエッチングにより形成する場合を例にして説明する。
Hereinafter, the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram schematically showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment.
In the following description, an example in which a gate electrode of a MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) is formed by etching will be described.
まず、半導体基板(たとえば、シリコンウェハ)10上に、ゲート絶縁膜用の絶縁層11を形成して、その上にパターニング対象層としてゲート電極形成用の金属層12を形成する。そして、金属層12上に、2層のマスク層13,14を形成する。さらに、その上にリソグラフィ技術でレジストパターン15−1,15−2,15−3,15−4を形成する(図1(A))。レジストパターン15−1〜15−4は、形成するデバイスパターンである、ゲート電極12−1,12−2,12−3,12−4の形状にパターニングされている(図1(D)参照)。
First, an
また、レジストパターン15−1は隣接するレジストパターン15−2とは離れた、疎部に形成され、レジストパターン15−2〜15−4は互いに近接しており、密部に形成されている。たとえば、密部のレジストパターン15−2〜15−4間の距離は、70〜100nm、疎部のレジストパターン15−1とレジストパターン15−2間の距離は、0.7〜1.0μm程度である。ここで、疎部のレジストパターン15−1の寸法をx1、密部のレジストパターン15−2〜15−4の寸法をx2とする。 In addition, the resist pattern 15-1 is formed in a sparse part away from the adjacent resist pattern 15-2, and the resist patterns 15-2 to 15-4 are close to each other and formed in a dense part. For example, the distance between the dense resist patterns 15-2 to 15-4 is 70 to 100 nm, and the distance between the sparse resist patterns 15-1 and 15-2 is about 0.7 to 1.0 μm. It is. Here, the dimension of the resist pattern 15-1 in the sparse part is x1, and the dimension of the resist patterns 15-2 to 15-4 in the dense part is x2.
このようなレジストパターン15−1〜15−4をマスクとして、マスク層14をエッチングし、レジストパターン15−1〜15−4を除去することで、マスクパターン14−1,14−2,14−3,14−4を形成する(図1(B))。なお、マスク層13,14は、異なる材質からなる膜であり、マスク層14のエッチングは、マスク層13に対して高い選択比を有する条件で行う。詳細は後述する。
By using the resist patterns 15-1 to 15-4 as a mask, the
次に、マスクパターン14−1〜14−4をマスクとして、マスク層13をエッチングし、マスクパターン14−1〜14−4を除去することで、マスクパターン13−1,13−2,13−3,13−4を形成する(図1(C))。このとき金属層12がエッチングされないように、金属層12に対して、高い選択比を有する条件で、マスク層13をエッチングする。
Next, using the mask patterns 14-1 to 14-4 as a mask, the
最後に、マスクパターン13−1〜13−4をマスクとして、金属層12及び絶縁層11をエッチングし、マスクパターン13−1〜13−4を除去する。これにより、ゲート電極12−1〜12−4及びゲート絶縁膜11−1,11−2,11−3,11−4を形成する(図1(D))。その後は、図示を省略するが、公知のドーピング工程などでドレイン及びソース領域を形成してMOSFETを完成させる。
Finally, using the mask patterns 13-1 to 13-4 as a mask, the
図1(D)の工程において形成される疎部のゲート電極12−1の寸法をy1、密部のゲート電極12−2〜12−4の寸法をy2とすると、疎部のCDシフト量はx1−y1、密部のCDシフト量はx2−y2となる。 When the dimension of the gate electrode 12-1 in the sparse part formed in the step of FIG. 1D is y1, and the dimension of the gate electrodes 12-2 to 12-4 in the dense part is y2, the CD shift amount in the sparse part is x1-y1 and the CD shift amount of the dense part are x2-y2.
疎部のゲート電極12−1の寸法をt1、密部のゲート電極12−2〜12−4の寸法をt2としたい場合、寸法y1,y2が寸法t1,t2に近づくように、マスク層13,14のエッチングの際にCDシフト量を調整する。
When the dimension of the sparse part gate electrode 12-1 is t1, and the dimension of the dense part gate electrodes 12-2 to 12-4 is t2, the
本実施の形態の半導体装置の製造方法では、マスク層13,14のエッチングの際に、各層ごと、疎部または密部におけるCDシフト量を調整する1種類のエッチングパラメータを変更する。たとえば、以下に詳細に示すように、マスク層14のエッチングの際には、オーバーエッチング量を変更し、マスク層13のエッチングの際にはガス流量を変更する。
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, when etching the
このように、マスク層13,14のエッチングの際に、それぞれ1種類のエッチングパラメータを変更してCDシフト量を制御するので、エッチング条件の設定が簡単になる。そのため、疎部及び密部で簡便に所望の寸法のゲート電極12−1〜12−4を形成することが可能となる。
As described above, when the
次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法の詳細を説明する。
まず、CDシフト量を制御するためのエッチングパラメータとして、オーバーエッチング量とガス流量を用いた場合の、CDシフト量の変化を検討した結果を示す。
Next, details of the manufacturing method of the semiconductor device of the present embodiment will be described.
First, the result of examining the change of the CD shift amount when the over-etching amount and the gas flow rate are used as the etching parameters for controlling the CD shift amount is shown.
なお、前述の図1の、金属層12として、ポリシリコンを用い、その上に形成するマスク層13として、カーボン系のレジスト膜を120nm積層した。さらに、マスク層13上に形成するマスク層14として、SiO系膜であるシロキサンを30nmの厚さで形成した。上層のレジストパターン15−1〜15−4は、130nmの厚さで形成した。
Note that polysilicon was used as the
また、金属層12及びマスク層13,14に対するプラズマエッチングの条件を以下に示す。
(金属層12のエッチング条件)
ガス流量:HBr(臭化水素)/O2=170/4sccm
エッチングチャンバ内圧力:6mTorr
RF(Radio Frequency)パワー:385W
印加電圧:65V
オーバーエッチング量:50sec(固定)
(マスク層13のエッチング条件)
ガス流量:SO2/O2/He(ヘリウム)=x/30−x/60sccm(xは可変パラメータ)
エッチングチャンバ内圧力:5mTorr
RFパワー:330W
印加電圧:100V
オーバーエッチング量:20%
(マスク層14のエッチング条件)
ガス流量:CF4(四フッ化炭素)/CHF3(三フッ化メタン)=100/20sccm
エッチングチャンバ内圧力:5mTorr
RFパワー:330W
印加電圧:100V
オーバーエッチング量:y%(yは可変パラメータ)
なお、マスク層13のエッチングの際には、SO2のガス流量を変更するが、総流量を一定とするため、O2の流量も同時に変更する。
The plasma etching conditions for the
(Etching conditions for metal layer 12)
Gas flow rate: HBr (hydrogen bromide) / O 2 = 170/4 sccm
Etching chamber pressure: 6 mTorr
RF (Radio Frequency) power: 385W
Applied voltage: 65V
Overetching amount: 50 sec (fixed)
(Etching conditions for mask layer 13)
Gas flow rate: SO 2 / O 2 / He (helium) = x / 30−x / 60 sccm (x is a variable parameter)
Etching chamber pressure: 5 mTorr
RF power: 330W
Applied voltage: 100V
Overetching amount: 20%
(Etching conditions for mask layer 14)
Gas flow rate: CF 4 (carbon tetrafluoride) / CHF 3 (methane trifluoride) = 100/20 sccm
Etching chamber pressure: 5 mTorr
RF power: 330W
Applied voltage: 100V
Overetching amount: y% (y is a variable parameter)
Incidentally, in the etching of the
また、オーバーエッチング量は、マスク層14のエッチングで終点を検出した後に追加されるエッチング時間であり、終点を検出するまでの時間に対する割合として表す。なお、終点は、プラズマ発光分析を利用して自動的に判断される。
The overetching amount is an etching time added after the end point is detected by etching the
以上の条件でエッチングした後に得られたゲート電極12−1〜12−4の寸法y1,y2を、SEM(Scanning Electron Microscope)などを用いて測定し、レジストパターン15−1〜15−4の寸法x1,x2とから、疎部のCDシフト量x1−y1及び密部のCDシフト量x2−y2のエッチングパラメータ依存性を求めた。 The dimensions y1 and y2 of the gate electrodes 12-1 to 12-4 obtained after etching under the above conditions are measured using an SEM (Scanning Electron Microscope) or the like, and the dimensions of the resist patterns 15-1 to 15-4 are measured. From x1 and x2, the etching parameter dependency of the CD shift amount x1-y1 of the sparse part and the CD shift amount x2-y2 of the dense part was obtained.
図2は、CDシフト量の各エッチングパラメータ依存性を示す図であり、(A)が疎部、(B)が密部でのCDシフト量のエッチングパラメータ依存性を示す図である。
図2(A),(B)ともX−Y軸でSO2流量(Sccm)とオーバーエッチング量(%)を示し、Z軸でCDシフト量(nm)を示している。
2A and 2B are diagrams showing the dependency of the CD shift amount on each etching parameter, where FIG. 2A shows the dependency of the CD shift amount on the sparse portion and FIG. 2B shows the dependency of the CD shift amount on the etching parameter.
2A and 2B, the XY axis indicates the SO 2 flow rate (Sccm) and the overetching amount (%), and the Z axis indicates the CD shift amount (nm).
エッチングパラメータであるSO2流量とオーバーエッチング量の変化に対するCDシフト量の変化は、図2(A),(B)で示すように、疎部と密部とで異なっている。オーバーエッチング量の増加に対するCDシフト量の増加は、疎部よりも密部の方が大きい。また、SO2流量の減少に対するCDシフト量の増加も、疎部の方が大きい。 As shown in FIGS. 2A and 2B, the change in the CD shift amount with respect to the change in the SO 2 flow rate and the overetching amount, which are etching parameters, is different between the sparse part and the dense part. The increase in the CD shift amount with respect to the increase in the overetching amount is larger in the dense portion than in the sparse portion. Further, the increase in the CD shift amount with respect to the decrease in the SO 2 flow rate is larger in the sparse part.
なお、疎部、密部ともに、CDシフト量のエッチングパラメータ依存性を表すグラフ中の面は、ほぼ平面であり、線形の相関を有することが予想できる。これは、最適なエッチングパラメータの値を計算するための方程式が1次式で求められることを意味する。そのため、モデルの構築が簡便となり、寸法制御の観点から、SO2流量とオーバーエッチング量は、理想的なエッチングパラメータであると言える。 Note that, in both the sparse part and the dense part, the surface in the graph showing the dependency of the CD shift amount on the etching parameter is almost flat and can be expected to have a linear correlation. This means that an equation for calculating the optimum etching parameter value is obtained by a linear expression. Therefore, the model can be easily constructed, and from the viewpoint of dimensional control, the SO 2 flow rate and the overetching amount can be said to be ideal etching parameters.
図3は、CDシフト量の疎密差の各エッチングパラメータに対する依存性を示す図である。
X−Y軸でSO2流量(Sccm)とオーバーエッチング量(%)を示し、Z軸でCDシフト量(nm)の疎密差(疎部と密部とのCDシフト量の差)を示している。
FIG. 3 is a diagram showing the dependence of the CD shift amount on the respective etching parameters.
The XY axis shows the SO 2 flow rate (Sccm) and the overetching amount (%), and the Z axis shows the CD shift amount (nm) density difference (difference in CD shift amount between the sparse part and the dense part). Yes.
CDシフト量の疎密差の変化範囲は、選択したエッチングパラメータ(SO2流量とオーバーエッチング量)の変化域に対して、およそ−3〜+3nmとなることがわかった。これは、現状の半導体装置の製造プロセスにおいて、必要と予想される、疎密差を補正する範囲としてほぼ満足できる値である。 It was found that the change range of the density difference of the CD shift amount is about −3 to +3 nm with respect to the change region of the selected etching parameters (SO 2 flow rate and overetch amount). This is a value that is almost satisfactory as a range for correcting the density difference, which is expected to be necessary in the current semiconductor device manufacturing process.
図2、図3で示された結果から、疎部のCDシフト量と疎密差の、エッチングパラメータに対する依存性を線形近似することによって、所望の寸法を得るために必要なエッチング条件を求めるモデルとなる方程式を構築した。 From the results shown in FIG. 2 and FIG. 3, a model for obtaining an etching condition necessary for obtaining a desired dimension is obtained by linearly approximating the dependence of the CD shift amount and the density difference of the sparse part on the etching parameter. The following equation was constructed.
マスク層14であるSiO系膜のオーバーエッチング量をa(%)、マスク層13のエッチングにおけるSO2流量をb(sccm)とする。疎部のCDシフト量をsi(nm)、CDシフト量の疎密差をds(nm)とすると、siとdsは、図2、図3で示された結果から以下の近似式で表せる。
The overetching amount of the SiO film that is the
si=0.0465×a−1.265×b+41.73 (1)
ds=−0.0135×a−0.414×b+8.37 (2)
この式(1),(2)から、オーバーエッチング量a及びSO2流量bは、以下の式で計算できる。
si = 0.0465 * a-1.265 * b + 41.73 (1)
ds = −0.0135 × a−0.414 × b + 8.37 (2)
From these equations (1) and (2), the overetching amount a and the SO 2 flow rate b can be calculated by the following equations.
a=−0.371×si−1.281×ds+26.21 (3)
b=11.41×si−34.81×ds−184.5 (4)
このような式(3),(4)を用いて、エッチングパラメータを設定することで、疎部及び密部でそれぞれ所望の寸法のゲート電極12−1〜12−4を得ることができる。
a = −0.371 × si−1.281 × ds + 26.21 (3)
b = 11.41 * si-34.81 * ds-184.5 (4)
By setting the etching parameters using such equations (3) and (4), gate electrodes 12-1 to 12-4 having desired dimensions can be obtained in the sparse part and the dense part, respectively.
なお、上記では、疎部のCDシフト量をもとに、式(3),(4)を構築したが、密部のCDシフト量をもとにしてもよい。
図4は、本実施の形態の半導体装置の製造方法を適用するエッチング装置とその制御系の構成例を示す図である。
In the above description, the formulas (3) and (4) are constructed based on the CD shift amount of the sparse part, but it may be based on the CD shift amount of the dense part.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of an etching apparatus to which the semiconductor device manufacturing method of the present embodiment is applied and its control system.
エッチング装置20は、エッチングに使用するガスを供給するガス供給部21a,21b,21cと、ガス流量を制御する流量制御部22と、エッチングチャンバ23を有している。
The
エッチングチャンバ23は、ガスをエッチングチャンバ23内に投入するガス投入口24a,24b,24cと、上部電極25と下部電極26を有している。
上部電極25は、RF電源27と接続され、下部電極26は、バイアス電源28と接続されている。RF電源27とバイアス電源28は接地されている。
The
The
さらに、エッチング装置20は、入力されたエッチング条件にしたがって、流量制御部22、RF電源27またはバイアス電源28を制御するエッチング制御部29を有している。
Furthermore, the
制御系としては、たとえば、記録媒体30aに格納された式(3),(4)を用いて最適なエッチング条件の計算などを行う制御用計算機30と、生産統合システム31を有している。
As the control system, for example, a
生産統合システム31は、1つまたは複数のコンピュータを有し、測長器32で測長されたレジストパターン15−1〜15−4の寸法x1,x2や、ゲート電極12−1〜12−4の寸法y1,y2を入力し、制御用計算機30に転送する。また、制御用計算機30で計算されたエッチング条件や、その他のエッチング条件をエッチング制御部29に通知する。
The production integrated
測長器32は、たとえば、SEMである。
以下、エッチング工程の流れを説明する。
図5は、エッチング工程の流れを説明するフローチャートである。
The
Hereinafter, the flow of the etching process will be described.
FIG. 5 is a flowchart for explaining the flow of the etching process.
まず、図1(A)で示したように形成したレジストパターン15−1〜15−4の寸法x1,x2を、測長器32で測長する(ステップS1)。
次に、制御用計算機30は、たとえば、ユーザから、疎部及び、密部のゲート電極12−1〜12−4の狙い値(前述の寸法t1,t2)の入力を受け付ける(ステップS2)。制御用計算機30は、入力された狙い値にするために必要な疎部のCDシフト量(si=x1−t1)と、CDシフト量の疎密差(ds=(x1−t1)−(x2−t2))を計算する(ステップS3)。
First, the lengths x1 and x2 of the resist patterns 15-1 to 15-4 formed as shown in FIG. 1A are measured by the length measuring device 32 (step S1).
Next, the
そして、制御用計算機30は、式(3),(4)にステップS3の処理で求めたsiとdsを代入することによって、入力された狙い値にするための、最適なオーバーエッチング量a(%)と、SO2流量(sccm)を計算する(ステップS4)。
Then, the
生産統合システム31は、ステップS4で計算されたエッチング条件を、エッチングチャンバ内圧力やRFパワーなど、前述した他のエッチング条件とともにエッチング制御部29に設定する(ステップS5)。
The
その後、エッチング装置20により、図1で示したようなエッチング処理を行う(ステップS6)。図1(A)から図1(B)で示しているマスク層14のエッチング工程では、エッチング制御部29は、RF電源27を制御して、式(3)で求めたオーバーエッチング量aになるようにする。また、図1(B)から図1(C)で示しているマスク層13のエッチング工程では、エッチング制御部29は、流量制御部22を制御して、式(4)で求めたSO2流量bになるようにする。その後、金属層12及び絶縁層11のエッチングは、前述のエッチング条件(ガス流量:HBr/O2=170/4sccm、エッチングチャンバ内圧力:6mTorr、RFパワー:385W)で行う。
Thereafter, the etching process as shown in FIG. 1 is performed by the etching apparatus 20 (step S6). In the etching process of the
以上のエッチング処理により、疎部でも密部でも、エッチング後に所望の寸法t1,t2のゲート電極12−1〜12−4を形成することが可能となる。
上記のように、本実施の形態の半導体装置の製造方法では、リソグラフィ工程で形成されたレジストパターン15−1〜15−4の寸法が一定でなくても、エッチング条件を最適化することで、疎部及び密部のゲート電極12−1〜12−4を所望の寸法に加工することが可能となる。これにより、リソグラフィ工程においてプロセスの許容度が拡大し、リソグラフィ装置の稼働率の向上や、メンテナンス工程の削減が実現できる。
With the above etching process, it is possible to form the gate electrodes 12-1 to 12-4 having desired dimensions t1 and t2 after the etching in both the sparse part and the dense part.
As described above, in the semiconductor device manufacturing method of the present embodiment, even if the dimensions of the resist patterns 15-1 to 15-4 formed in the lithography process are not constant, the etching conditions are optimized. It becomes possible to process the gate electrodes 12-1 to 12-4 in the sparse part and the dense part into desired dimensions. As a result, process tolerance is increased in the lithography process, and the operation rate of the lithography apparatus can be improved and the maintenance process can be reduced.
また、1つの層のエッチングの際に、1つのエッチングパラメータのみを変更しているので、1つの層で複数のエッチングパラメータを同時に変更する場合と比較して、望ましいエッチング条件を簡便かつ迅速に求めることができる。 In addition, since only one etching parameter is changed when etching one layer, a desired etching condition is easily and quickly obtained as compared with a case where a plurality of etching parameters are changed simultaneously in one layer. be able to.
なぜなら、1つの層で複数のエッチングパラメータを変化させる場合は、それぞれのエッチングパラメータの変化が互いに影響をおよぼすことを考慮して、すべてのエッチング条件において試作による事前検証が必要となるからである。具体的には、1つのエッチングパラメータの設定値として5条件を想定すると、1層で2種類のエッチングパラメータを変化させるときは5×5の試作が必要となる。これに対し、本実施の形態の半導体装置の製造方法では、2層分の5×2回の試作で足りる。 This is because in the case where a plurality of etching parameters are changed in one layer, it is necessary to perform preliminary verification by trial manufacture under all etching conditions in consideration of the influence of changes in the respective etching parameters. Specifically, assuming five conditions as the set value of one etching parameter, a prototype of 5 × 5 is required when changing two types of etching parameters in one layer. On the other hand, in the manufacturing method of the semiconductor device of this embodiment, 5 × 2 trial manufactures for two layers are sufficient.
また、エッチング装置のメンテナンスなどによってエッチング特性が変動することも考えられるが、1層で1つのエッチングパラメータのみを変化させるので、エッチング条件の調整も簡便に行うことができる。そのため、エッチング装置における製品処理の停止期間を短縮できる。 Although it is conceivable that the etching characteristics fluctuate due to maintenance of the etching apparatus or the like, since only one etching parameter is changed per layer, the etching conditions can be easily adjusted. Therefore, the product processing stoppage period in the etching apparatus can be shortened.
また、エッチング条件を変更する層は、マスク層13,14だけであり、金属層12のエッチングは、制御する寸法によらず一定のエッチング条件を用いて行う。このため、金属層12に対するエッチングダメージを抑えられ、ゲート電極12−1〜12−4の側壁の形状、下地に対するエッチング選択比、過剰なエッチングによる下地の膜厚減少を、安定に保つことができる。
Further, the layers for changing the etching conditions are only the mask layers 13 and 14, and the etching of the
ところで、図4で示したようなエッチングチャンバ23の内壁への堆積膜や、プラズマに曝されて消耗する部材の影響によって、ロット間の処理に対するエッチング特性は変動する。また、ロット内においてもプラズマ処理中にウェハ温度が上昇するなどの現象によって、ウェハごとにエッチング特性が変動することも起こりうる。このようなプロセス装置の状態の変化に起因する変動をプロセスドリフトと呼ぶ。
By the way, the etching characteristics for the processing between lots fluctuate due to the influence of the deposited film on the inner wall of the
図6は、CDシフト量及びCDシフト量の疎密差の経時変化の一例を示す図であり、(A)が疎部と密部でのCDシフト量の経時変化を示し、(B)がCDシフト量の疎密差の経時変化を示す図である。 6A and 6B are diagrams illustrating an example of a change over time of a CD shift amount and a density difference of the CD shift amount, in which FIG. 6A shows a change over time in a CD shift amount between a sparse part and a dense part, and FIG. It is a figure which shows the time-dependent change of the density difference of shift amount.
図6(A)において、縦軸がCDシフト量、横軸が日時である。実線が疎部のCDシフト量の経時変化、点線が密部のCDシフト量の経時変化を示している。
図6(B)において、縦軸がCDシフト量の疎密差、横軸が日時である。
In FIG. 6A, the vertical axis represents the CD shift amount, and the horizontal axis represents the date and time. The solid line shows the change over time in the CD shift amount at the sparse part, and the dotted line shows the change over time in the CD shift amount at the dense part.
In FIG. 6B, the vertical axis represents the CD shift amount density difference, and the horizontal axis represents the date and time.
図6(A)に示すように、疎部及び密部ともCDシフト量が経時変化し、その変化量は疎部と密部で異なり、疎密差は、図6(B)のようなグラフで示される。
以上のようなCDシフト量の経時変化を考慮したエッチング方法を以下に説明する。
As shown in FIG. 6A, the CD shift amount changes with time in both the sparse part and the dense part, the change amount is different between the sparse part and the dense part, and the density difference is a graph as shown in FIG. 6B. Indicated.
An etching method in consideration of the change over time of the CD shift amount as described above will be described below.
図7は、CDシフト量の経時変化を考慮したエッチング工程の流れを説明するフローチャートである。
まず、図6で示したような、CDシフト量及びCDシフト量の疎密差の経時変化を記録媒体30aに記録する(ステップS10)。ロットごとにエッチング条件を最適化する場合にはロットごと、ウェハごとに最適化する場合には、ウェハごとに疎部及び密部でのCDシフト量を求め、その経時変化と、CDシフト量の疎密差の経時変化を記録する。
FIG. 7 is a flowchart for explaining the flow of the etching process in consideration of the change with time of the CD shift amount.
First, as shown in FIG. 6, the change over time of the CD shift amount and the density difference of the CD shift amount is recorded on the
次に、制御用計算機30は、CDシフト量及びCDシフト量の疎密差の経時変化をもとに、次回のそれらの値を予測する(ステップS11)。
たとえば、最近の処理結果から複数ロットまたは複数ウェハ前の処理にさかのぼって、その処理におけるCDシフト量及びCDシフト量の疎密差それぞれに対して、移動平均を求める。また、最近の処理結果に重み付けする加重平均を利用してもよい。このようにして求めた予測値は、あるエッチング条件を仮定したときのCDシフト量及びCDシフト量の疎密差である。仮定するエッチング条件は、エッチングパラメータを変化させる際の中心条件、または実際の処理で頻度の高いエッチング条件であることが望ましい。
Next, the
For example, the moving average is obtained for each of the CD shift amount and the density difference of the CD shift amount in the processing from the recent processing result back to the processing of a plurality of lots or a plurality of wafers. Also, a weighted average that weights recent processing results may be used. The predicted value thus obtained is the density difference between the CD shift amount and the CD shift amount when a certain etching condition is assumed. It is desirable that the assumed etching conditions are a central condition when changing the etching parameters or an etching condition frequently used in actual processing.
次に、制御用計算機30は、図2、図3で示したようなエッチングパラメータに対するCDシフト量及びCDシフト量の疎密差の相関モデルを、ステップS11の処理で求めた予測値を用いて調整する(ステップS12)。
Next, the
たとえば、図2、図3から経時変化の記録に用いた一定のエッチング条件のときのCDシフト量及びCDシフト量の疎密差を求め、それらの値と、ステップS11の処理で求めた予測値とを比較して、構築した相関モデルを調整する。その際には、図2、図3のグラフにおける傾きは変化しないと仮定して切片を調整する。これに応じて、式(3),(4)を修正する。または、事前の調査で得られた図2、図3の相関モデルを、最新の処理結果に応じて再構築するようにしてもよい。 For example, from FIG. 2 and FIG. 3, the CD shift amount and the density difference of the CD shift amount under the constant etching conditions used for recording the change over time are obtained, and these values and the predicted value obtained in the process of step S11 are obtained. To adjust the constructed correlation model. At that time, the intercept is adjusted on the assumption that the inclination in the graphs of FIGS. 2 and 3 does not change. In accordance with this, the equations (3) and (4) are corrected. Or you may make it rebuild the correlation model of FIG. 2, FIG. 3 obtained by the preliminary | backup investigation according to the newest process result.
ステップS13〜S18の処理は、図5のステップS1〜S6の処理と同様であるので説明を省略する。
以上のように、CDシフト量及びCDシフト量の疎密差の経時変化を考慮して相関モデルを調整することで、ロットごとの場合は各ロットの代表値、ウェハごとの場合は各ウェハの代表値としての、疎部及び密部の寸法を高精度に制御することができる。これにより、リソグラフィだけでなくエッチングにおけるプロセス許容度が拡大し、エッチング装置においても装置稼働率の向上やメンテナンス工数の削減が期待できる。
The processing of steps S13 to S18 is the same as the processing of steps S1 to S6 in FIG.
As described above, by adjusting the correlation model in consideration of the CD shift amount and the change in density of the CD shift amount with time, the representative value of each lot for each lot and the representative of each wafer for each wafer. The dimensions of the sparse part and dense part as values can be controlled with high accuracy. As a result, not only the lithography but also the process tolerance in etching is expanded, and an improvement in the apparatus operating rate and a reduction in maintenance man-hours can be expected also in the etching apparatus.
なお、上記では、CDシフト量及びCDシフト量の疎密差の経時変化を考慮してエッチング条件を変更する場合について説明したが、エッチング後の寸法が影響を与えるデバイスの電気的特性を考慮してエッチング条件を設定するようにしてもよい。 In the above description, the case where the etching conditions are changed in consideration of the CD shift amount and the temporal change in the density difference of the CD shift amount has been described. However, in consideration of the electrical characteristics of the device in which the dimension after etching affects. Etching conditions may be set.
たとえば、ゲート電極のエッチングに関しては、ゲート長が短くなるにつれて、トランジスタの閾値電圧は減少し、オン電流及びオフ電流は増加する。また、配線プロセスのエッチングに関しては、穴径または線幅が大きくなるにつれて、配線抵抗は低減する。このような、デバイスの電気的特性と寸法との相関にもとづき、所望の電気的特性を得るための加工寸法を求める。 For example, for gate electrode etching, as the gate length decreases, the threshold voltage of the transistor decreases and the on and off currents increase. Regarding the etching in the wiring process, the wiring resistance decreases as the hole diameter or the line width increases. Based on such a correlation between the electrical characteristics and dimensions of the device, a processing dimension for obtaining desired electrical characteristics is obtained.
具体的には、疎部及び密部、もしくはそのどちらかと相関を持つデバイスの電気的特性をあらかじめ抽出しておく。そして、抽出した電気的特性に対する狙い値と実測値との差をもとに、エッチング後の最適な寸法を求める。そして、次回のロット処理やウェハ処理で最適な寸法を得るために必要なCDシフト量及び、CDシフト量の疎密差を計算し、それを式(3),(4)に代入してエッチングパラメータを決定する。 Specifically, the electrical characteristics of the device having a correlation with the sparse part and / or the dense part are extracted in advance. Based on the difference between the target value for the extracted electrical characteristic and the actual measurement value, an optimum dimension after etching is obtained. Then, the CD shift amount necessary for obtaining the optimum dimension in the next lot processing or wafer processing and the density difference of the CD shift amount are calculated, and the calculated values are substituted into the equations (3) and (4) to obtain the etching parameters. To decide.
デバイスの電気的特性に応じてエッチング条件を変更することで、デバイスの電気的特性を安定化させることができる。
なお、以上の説明では、図1に示したように、金属層12上にエッチング対象のマスク層13,14が2層である場合について説明したが、エッチング対象となる層が3層以上であってもよい。2層のマスク層13,14を用いて疎部及び密部のゲート電極12−1〜12−4の寸法が制御できれば、それ以外の層のエッチング時に適当なエッチング条件を選択することで、寸法以外のウェハ面内分布などを改善することが可能である。また、使用できるエッチングパラメータの変化域に対してCDシフト量が変化する範囲が小さい場合、他の層のエッチング条件も変化させることで、CDシフト量の変化する範囲を広げることもできる。
By changing the etching conditions according to the electrical characteristics of the device, the electrical characteristics of the device can be stabilized.
In the above description, as shown in FIG. 1, the case where the mask layers 13 and 14 to be etched are two layers on the
また、上記では、CDシフト量を調整するエッチングパラメータとして、マスク層14をエッチングする際のオーバーエッチング量と、マスク層13をエッチングする際のSO2流量を選択したが、これに限定されない。エッチング条件と、エッチングされる膜の材質などに応じて、CDシフト量を効果的に制御できるように他のエッチングパラメータ(エッチング中の圧力、ウェハ温度、バイアス電源のパワーなど)を用いてもよい。
In the above description, the etching parameters for adjusting the CD shift amount are the over-etching amount when the
寸法の制御に対して効果的なエッチングパラメータを選択するには、疎部及び密部、それぞれのCDシフト量がエッチングパラメータの増減に応じて変化することが必要である。なおかつ、CDシフト量の疎密差が変化するように、疎部のCDシフト量の変化量と、密部のCDシフト量の変化量とが異なっていることが望ましい。 In order to select an etching parameter effective for dimensional control, it is necessary that the CD shift amounts of the sparse part and the dense part change according to the increase or decrease of the etching parameter. In addition, it is desirable that the amount of change in the CD shift amount in the sparse part is different from the amount of change in the CD shift amount in the dense part so that the density difference in the CD shift amount changes.
図8は、1つのエッチングパラメータの変化に対する疎部及び密部のCDシフト量の変化の例を示す図である。図8(A),(B),(C)で、3種類のエッチングパラメータとCDシフト量との関係を示している。縦軸がCDシフト量、横軸がエッチングパラメータである。また、実線が疎部におけるエッチングパラメータとCDシフト量の関係を示し、点線が密部におけるエッチングパラメータとCDシフト量の関係を示している。 FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a change in the CD shift amount of the sparse portion and the dense portion with respect to a change in one etching parameter. 8A, 8B, and 8C show the relationship between the three types of etching parameters and the CD shift amount. The vertical axis represents the CD shift amount, and the horizontal axis represents the etching parameter. The solid line indicates the relationship between the etching parameter and the CD shift amount in the sparse part, and the dotted line indicates the relationship between the etching parameter and the CD shift amount in the dense part.
図8(A)では、エッチングパラメータの有効な変化の範囲で、疎部と密部のCDシフト量とエッチングパラメータとの関係を表す直線が交差している場合について示している。 FIG. 8A shows a case where straight lines representing the relationship between the CD shift amount of the sparse part and the dense part and the etching parameter intersect within the effective change range of the etching parameter.
このようなエッチングパラメータを使用する場合には、交点より小さいエッチングパラメータを選択するか交点よりも大きいエッチングパラメータを選択するかで、疎密差がプラスであってもマイナスであっても制御できる。 When such an etching parameter is used, it is possible to control whether the density difference is positive or negative by selecting an etching parameter smaller than the intersection or an etching parameter larger than the intersection.
図8(B)では、エッチングパラメータの有効な変化範囲内で疎部と密部のCDシフト量とエッチングパラメータとの関係を表す直線が交差しない場合について示している。また、エッチングパラメータの増加に対して、CDシフト量の変化量が疎部のほうが大きい。 FIG. 8B shows a case where the straight line representing the relationship between the CD shift amount of the sparse part and the dense part and the etching parameter does not intersect within the effective change range of the etching parameter. In addition, as the etching parameter increases, the change amount of the CD shift amount is larger in the sparse part.
このようなエッチングパラメータを、ある層のエッチングの際に変更してCDシフト量の調整に使用する場合には、他の層では、エッチングパラメータの増加に対して、CDシフト量の変化量が密部のほうが大きくなるエッチングパラメータを選択する。このように求めた2種類のエッチングパラメータを用いることで、疎部及び密部それぞれにおいて、形成するデバイスパターンの寸法を制御することができる。 When such an etching parameter is changed during the etching of a certain layer and used for adjusting the CD shift amount, in other layers, the change amount of the CD shift amount is increased as the etching parameter increases. An etching parameter is selected so that the portion becomes larger. By using the two types of etching parameters obtained in this way, the dimensions of the device pattern to be formed can be controlled in each of the sparse part and the dense part.
図8(C)では、疎部と密部のCDシフト量とエッチングパラメータとの関係を表す直線が平行となっている場合について示している。ある層におけるエッチングの際に、図8(C)のような依存性を示すエッチングパラメータを調整するだけではCDシフト量の疎密差を制御できない。そこで、他の層のエッチングの際に、図8(B)のような依存性を示すエッチングパラメータを調整することで、CDシフト量の疎密差も制御できる。ただし、制御した疎密差がプラスまたはマイナスのどちらかの場合に限り有効である。 FIG. 8C shows a case where straight lines representing the relationship between the CD shift amount of the sparse part and the dense part and the etching parameter are parallel to each other. When etching a certain layer, the density difference of the CD shift amount cannot be controlled only by adjusting the etching parameters showing the dependency as shown in FIG. Therefore, when the other layers are etched, the difference in density of the CD shift amount can also be controlled by adjusting the etching parameters showing dependency as shown in FIG. 8B. However, it is effective only when the controlled density difference is either positive or negative.
なお、上記では、MOSFETにおけるゲート電極をエッチングにより形成する場合を例にして説明したが、これに限定されない。たとえば、配線形成工程など、CDシフト量を変化することができるエッチングパラメータを見出すことができるすべてのエッチングプロセスに対して適用可能である。 In the above description, the case where the gate electrode in the MOSFET is formed by etching has been described as an example. However, the present invention is not limited to this. For example, the present invention is applicable to all etching processes that can find an etching parameter that can change the CD shift amount, such as a wiring formation process.
10 半導体基板
11 絶縁層
11−1〜11−4 ゲート絶縁膜
12 金属層
12−1〜12−4 ゲート電極
13,14 マスク層
13−1〜13−4,14−1〜14−4 マスクパターン
15−1〜15−4 レジストパターン
DESCRIPTION OF
Claims (6)
2層の前記マスク層に対して、各層ごとに、デバイスパターンを疎に形成する疎部または密に形成する密部におけるCDシフト量を調整する1種類のエッチングパラメータを変更させてエッチングを行い、マスクパターンを形成する工程と、
前記マスクパターンを用いて前記パターニング対象層をエッチングし、前記デバイスパターンを形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming two mask layers on the patterning target layer;
For each of the two mask layers, for each layer, etching is performed by changing one kind of etching parameter for adjusting the CD shift amount in a sparse part where a device pattern is sparsely formed or a dense part where a device pattern is densely formed, Forming a mask pattern;
Etching the patterning target layer using the mask pattern to form the device pattern; and
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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| JP2008268812A JP2010098176A (en) | 2008-10-17 | 2008-10-17 | Method of manufacturing semiconductor device |
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|---|---|---|---|---|
| KR20140031224A (en) * | 2011-03-22 | 2014-03-12 | 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 | Etch process for controlling pattern cd and integrity in multi-layer masks |
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| JP2014512096A (en) * | 2011-03-22 | 2014-05-19 | 東京エレクトロン株式会社 | Etching process to control pattern critical dimension and integrity of multilayer masks |
| KR101887723B1 (en) * | 2011-03-22 | 2018-08-10 | 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 | Etch process for controlling pattern cd and integrity in multi-layer masks |
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